CN113959856A - 模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，包括隧道衬砌、环型钢架、U型夹具、千斤顶，以3D打印方式预制盾构隧道衬砌模型，将其置于环型钢架中，通过对穿螺栓和U型夹具对隧道衬砌施加预紧力，能够有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力和轴向压力，通过千斤顶施加顶推力使得各榀环型钢架之间相互张开，从而带动各衬砌环之间相互张开，模拟隧道衬砌的纵向受弯工况，本发明设计精巧、使用方便，可为测定衬砌环缝接头的力学性能、研究盾构隧道的纵向抗弯性能提供基础性支撑。

Description

模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置
技术领域
本发明涉及结构力学性能测试领域，尤其涉及一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置。
背景技术
随着我国城市轨道交通的迅猛发展，盾构隧道在地铁工程中得到广泛应用。盾构隧道由预制管片和管片螺栓拼装而成，形成了具有环缝接头和纵缝接头的复杂结构；但目前国内外普遍采用的“典型横断面”设计方法，难以预测复杂地层中盾构隧道的纵向力学性能。大量研究表明，环缝接头对盾构隧道纵向性能具有较大影响；因此测定环缝接头的力学性能，是盾构隧道纵向设计中的一项重要基础工作。
目前常见的盾构隧道纵向抗弯性能试验包括模型试验和原型试验。前者以相似准则为基础，建立缩尺隧道模型并开展相应的加载测试；后者以若干块（环）真实管片为对象，通过大型加载装置开展相应的力学性能测试。
专利CN109443930A对多环盾构隧道模型进行跨中水平单点加载，考虑了自重影响，测试盾构隧道的纵向刚度；专利CN103033374B对盾构隧道模型施加不同端部约束及纵向多点加载，研究端部约束刚度对盾构隧道纵向结构力学性能的影响。模型试验成本相对低廉，但由于结构粗略化及试验装置等方面的限制，常常规避隧道埋置于岩土体中实际情况，难以真实反映盾构管片的实际受力性状（如地层压力，轴向压力等）。
专利CN109269900A沿隧道径向布置多组千斤顶和弹簧组装成自平衡结构，能施加径向压力模拟地层压力作用，研究盾构隧道管片接头的力学性能；专利CN102004054A建立三向集中加载系统，对局部相邻管片进行位移加载或力加载，以测定盾构隧道管片接头的相关力学参数。原型试验所需的加载装置体量大，技术难度高，成本高昂。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种能够真实模拟径向地层压力和衬砌轴向压力，施加不同弯矩荷载工况的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，包括隧道衬砌、环型钢架、U型夹具、千斤顶；
所述隧道衬砌包括依次拼接的至少两个衬砌环，衬砌环由若干不同类型管片通过管片螺栓依次连接构成；
所述隧道衬砌固定放置在多榀环型钢架内, 每榀钢架单元内放置容纳一个衬砌环；
对称布置在相邻两榀环型钢架单元之间的两个千斤顶，将相邻的两榀钢架单元连接；
所述U型夹具包括U型板、U型板分别设置有固定压板、活动压板， 固定压板与U型板固定连接，活动压板安装在轴力螺栓上，轴力螺栓穿设U型板并与之螺纹配合；
U型夹具沿隧道衬砌内壁圆周均布的设置若干个，固定压板、活动压板分别压固隧道衬砌两端。
进一步的，相邻的衬砌环之间形成环缝接头，每个衬砌环内相邻管片的拼接端形成纵缝接头。
进一步的，所述管片根据缩尺比例，采用3D打印方式预制。
进一步的，所述环型钢架包括圆周均布的四个L型钢架，四个L型钢架内侧围成容纳衬砌环的容置部，相邻的L型钢架经对穿螺栓相连接。
进一步的，所述L型钢架内焊接有肋板。
一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：根据缩尺比例，采用3D打印方式预制各类型管片，各管片之间通过管片螺栓拼接形成衬砌环, 多个衬砌环通过管片螺栓拼接形成隧道衬砌；
步骤2：通过与预制衬砌环相匹配的环型钢架固定隧道衬砌，环型钢架的4个L型钢架通过对穿螺栓拼接，通过调节对穿螺栓张力对环型钢架施加预紧力，从而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；
步骤3：重复步骤2，将多榀环型钢架箍住多个衬砌环，完成隧道衬砌模型与环型钢架的组装；
步骤4：预制U型夹具，沿隧道衬砌模型圆周上均匀布置；通过旋转轴力螺栓对隧道衬砌模型施加纵向预紧力，从而有效模拟隧道衬砌中的轴向压力；
步骤5：在相邻的环型钢架之间对称布置两个千斤顶，通过施加顶推力使得环型钢架之间相互张开，从而带动衬砌环之间相互张开，模拟隧道衬砌的纵向受弯工况；
步骤6：对隧道衬砌逐级加载，并记录管片、螺栓、环缝处的应力或变形数据，以测定环缝接头力学性能，研究盾构隧道的纵向抗弯性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：设计精巧、使用方便；其加载系统能够模拟隧道衬砌在真实地层中的径向压力、轴向压力和纵向受弯工况，为测定衬砌环缝接头的力学性能、研究盾构隧道的纵向抗弯性能提供基础性支撑。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为盾构隧道纵向抗弯性能试验装置示意图。
图2为隧道衬砌示意图。
图3为环型钢架示意图。
图4为L型钢架示意图。
图5为U型夹具示意图。
图中：1-隧道衬砌；11-管片；12-管片螺栓；13-纵缝接头；14-环缝接头；2-环型钢架；21-L型钢架；211-预留螺栓孔；212-肋板；22-对穿螺栓；3-U型夹具；31-轴力螺栓；4-千斤顶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-5所示，一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，包括隧道衬砌1、环型钢架2、U型夹具3、千斤顶4：
所述隧道衬砌包括依次拼接的至少两个衬砌环，衬砌环由若干不同类型管片11通过管片螺栓12依次连接构成；；
所述隧道衬砌固定放置在多榀环型钢架内, 每榀钢架单元内放置容纳一个衬砌环；
对称布置在相邻两榀环型钢架单元之间的两个千斤顶，将相邻的两榀钢架单元连接；
所述U型夹具包括U型板、U型板分别设置有固定压板、活动压板， 固定压板与U型板固定连接，活动压板安装在轴力螺栓31上，轴力螺栓穿设U型板并与之螺纹配合；
U型夹具沿隧道衬砌内壁圆周均布的设置若干个，固定压板、活动压板分别压固隧道衬砌两端。
在本实施例中，相邻的衬砌环之间形成环缝接头14，每个衬砌环内相邻管片的拼接端形成纵缝接头13。
在本实施例中，所述管片根据缩尺比例，采用3D打印方式预制。
在本实施例中，所述环型钢架包括圆周均布的四个L型钢架21，四个L型钢架内侧围成容纳衬砌环的容置部，相邻的L型钢架经对穿螺栓22相连接。
在本实施例中，所述L型钢架上预留螺栓孔211，L型钢架内焊接有肋板212，以加强刚度。
一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：按1：8的缩尺比例，以光敏树脂为材料，采用3D打印机预制2组管片，每组包括3个标准块、2个邻接块和1个封顶块；选取相应的材料（铝材等）模拟管片螺栓，每组管片通过管片螺栓拼装成1个衬砌环，2个衬砌环通过管片螺栓组成隧道衬砌模型，在拼装过程中管片间形成了环缝接头和纵缝接头；
步骤2：定制2榀与预制衬砌环相匹配的环型钢架，环型钢架的4个L型钢架通过8个对穿螺栓拼接，将隧道衬砌置于环型钢架内，根据实际地层压力，调节对穿螺栓张力对型钢架施加预紧力，从而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；
步骤3：定制8组与隧道衬砌模型相适应的U型夹具，沿隧道衬砌模型圆周上均匀布置；通过旋转轴力螺栓对隧道衬砌模型施加纵向预紧力，从而有效模拟隧道衬砌中的轴向压力；
步骤4：将一组2个同步液压伺服千斤顶对称布置在两榀环型钢架元间，通过施加顶推力使2榀环型钢架之间相互张开，从而带动2个衬砌环之间相互张开，模拟盾构隧道的纵向受弯工况；
步骤5：对隧道衬砌逐级加载，并记录管片、螺栓、环缝处的应力或变形数据，以测定环缝接头力学性能，研究盾构隧道的纵向抗弯性能，进而能推算环缝接头刚度、纵向等效抗弯模量等相关参数。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于：包括隧道衬砌、环型钢架、U型夹具、千斤顶；
所述隧道衬砌包括依次拼接的至少两个衬砌环，衬砌环由若干不同类型管片通过管片螺栓依次连接构成；
所述隧道衬砌固定放置在多榀环型钢架内, 每榀钢架单元内放置容纳一个衬砌环；
对称布置在相邻两榀环型钢架单元之间的两个千斤顶，将相邻的两榀钢架单元连接；
所述U型夹具包括U型板、U型板分别设置有固定压板、活动压板， 固定压板与U型板固定连接，活动压板安装在轴力螺栓上，轴力螺栓穿设U型板并与之螺纹配合；
U型夹具沿隧道衬砌内壁圆周均布的设置若干个，固定压板、活动压板分别压固隧道衬砌两端。
2.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于：相邻的衬砌环之间形成环缝接头，每个衬砌环内相邻管片的拼接端形成纵缝接头。
3.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于：所述管片根据缩尺比例，采用3D打印方式预制。
4.根据权利要求1所述的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于：所述环型钢架包括圆周均布的四个L型钢架，四个L型钢架内侧围成容纳衬砌环的容置部，相邻的L型钢架经对穿螺栓相连接。
5.根据权利要求4所述的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于：所述L型钢架内焊接有肋板。
6.一种模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验方法，采用如权利要求1所述的模拟盾构隧道纵向抗弯性能的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据缩尺比例，采用3D打印方式预制各类型管片，各管片之间通过管片螺栓拼接形成衬砌环, 多个衬砌环通过管片螺栓拼接形成隧道衬砌；
步骤2：通过与预制衬砌环相匹配的环型钢架固定隧道衬砌，环型钢架的4个L型钢架通过对穿螺栓拼接，通过调节对穿螺栓张力对环型钢架施加预紧力，从而有效模拟隧道衬砌承担的径向地层压力；
步骤3：重复步骤2，将多榀环型钢架箍住多个衬砌环，完成隧道衬砌模型与环型钢架的组装；
步骤4：预制U型夹具，沿隧道衬砌模型圆周上均匀布置；通过旋转轴力螺栓对隧道衬砌模型施加纵向预紧力，从而有效模拟隧道衬砌中的轴向压力；
步骤5：在相邻的环型钢架之间对称布置两个千斤顶，通过施加顶推力使得环型钢架之间相互张开，从而带动衬砌环之间相互张开，模拟隧道衬砌的纵向受弯工况；
步骤6：对隧道衬砌逐级加载，并记录管片、螺栓、环缝处的应力或变形数据，以测定环缝接头力学性能，研究盾构隧道的纵向抗弯性能。
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